Влияние химического состава и поверхностной модификации на механические свойства алюмосиликатных волокон тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.21, кандидат наук Кузьмин, Константин Львович

• Кузьмин, Константин Львович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Кузьмин, Константин Львович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1. Армирующие стекловолокнистые наполнители для полимерных композиционных материалов

1.2.1. Особенности стекла как аморфного вещества

1.2.2. Теории строения стекла

1.2.3. Прочность стекла и стеклянных волокон

1.2.3.1. Методы упрочнения стекла и стеклянных волокон

1.2.4. Модуль упругости

2. Связующие для армированных полимерных материалов

3. Адгезионные явления на поверхности раздела волокно-полимер

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ БАЗАЛЬТОВЫХ СТЕКОЛ И ВОЛОКОН С МОДИФИЦИРОВАННЫМ ХИМИЧЕСКИМ СОСТАВОМ

3.1. Получение стекла

3.2. Получение базальтовых непрерывных волокон

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ БАЗАЛЬТОВЫХ СТЕКОЛ И ВОЛОКОН С МОДИФИЦИРОВАННЫМ ХИМИЧЕСКИМ СОСТАВОМ

4.1 Рентгенофазовый анализ

4.2. ИК-спектроскопия

4.3. ЯМР-спектроскопия

ГЛАВА 5. МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ БАЗАЛЬТОВЫХ НЕПРЕРЫВНЫХ ВОЛОКОН

5.1. Ионообменное упрочнение базальтовых непрерывных волокон

5.2. Методы удаления коммерческого замасливателя с поверхности базальтовой ткани

5.3. Обработка базальтовых волокон растворами неорганических кислот

5.4. Обработка базальтовых волокон растворами силановых аппретов

5.5. Нанесение гибридного покрытия на основе модифицированных наночастиц SiO2

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН

6.1. Сканирующая электронная микроскопия

6.2. Инфракрасная спектроскопия

6.3. Механические свойства базальтовых непрерывных волокон с модифицированным химическим составом

6.4. Упрочнение непрерывных базальтовых волокон методом ионного обмена

6.5. Влияния модификации поверхности базальтовых волокон на их механические свойства

ГЛАВА 7. ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ

БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН

7.1. Исходные материалы

7.1.1.Определение прочности композитов при растяжении (ASTM D3039)

7.1.2. Определение прочности композитов при межслоевом сдвиге (ASTM D2344)

7.2. Определение адгезионной прочности волокна к полимерной матрице

ГЛАВА 8. ИССЛЕДОВАНИЕ АДГЕЗИОННЫХ СВОЙСТВ НА ГРАНИЦЕ ВОЛОКНО-МАТРИЦА И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН

8.1 Влияние модифицирования поверхности базальтовых волокон на адгезионную прочность соединения «волокно-матрица»

8.2. Влияние модифицирования поверхности базальтовых волокон на механические свойства ПКМ на их основе

ГЛАВА 9. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

9.1. Структура и термические свойства базальтовых волокон с модифицированным химическим составом

9.2. Влияние химического состава базальтовых непрерывных волокон на их механические свойства

9.3. Влияние структуры поверхности базальтовых волокон на их механические свойства

9.4. Адгезионная прочность соединения между базальтовым волокном и эпоксидной матрицей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние химического состава и поверхностной модификации на механические свойства алюмосиликатных волокон»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Интерес к изучению полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе базальтовых волокон обусловлен их уникальными термическими (высокая температура применения) и механическими (высокие значения модуля упругости и прочности, твердость, износостойкость) характеристиками. В последние годы особый интерес представляет получение высокомодульных и высокопрочных волокон для ПКМ, которые могут быть использованы в авиастроении, строительстве и ветряной энергетике [1].

Физико-механические характеристики ПКМ напрямую зависят от механических свойств волокнистого наполнителя. Базальтовые волокна имеют более высокие показатели прочности и модуля упругости, чем широко использующееся в настоящее время стекловолокно марки Е, однако уступают по этим показателям дорогим волокнам из Б-стекла. Развитие технологии получения базальтовых непрерывных волокон (БНВ) сдерживается по двум причинам: высокой способности к кристаллизации базальтовых расплавов и значительной флуктуации химического и фазового состава горных пород даже в рамках одного месторождения. Оба фактора в значительной мере ограничивают температурный интервал получения базальтовых волокон, что в свою очередь приводит к низкой производительности технологии, удорожанию конечного продукта и занижению их механических свойств [2]. Существует два относительно простых в применении и не приводящих к повреждению материала метода для улучшения механических свойств стекла: термическая закалка [3] и ионный обмен [4]. Однако применение данных методов к стеклянным волокнам практически не отражено в литературе.

Закономерности «состав-свойства» для трех- и четырехкомпонентных алюмосиликатных систем изучены достаточно хорошо [5-8]. Эти результаты позволяют прогнозировать свойства алюмосиликатных систем путем модификации их химического состава. Особый интерес представляет изучение структуры стекол. Катионы металлов играют существенную структурную роль в оксидных стеклах, что позволяет им оказывать влияние на физико-химические свойства стекол. В работе группы ученых под руководством Гривса [9] было предложено описывать структуру силикатных стекол с позиции определения локального окружения катионов и соотношения мостиковых и немостиковых атомов кислорода. Данный подход получил широкое распространение для исследования объемных стекол, но не применяется для установления зависимостей «состав-структура-свойства» в стекловолокнах. Поэтому исследование влияния химического состава на свойства базальтовых стекол и волокон представляется важным как с научной, так и с прикладной точек зрения.

Немаловажным фактором, определяющим механические свойства ПКМ, армированных волокнистым наполнителем, является величина адгезионной прочности. Значительный

интерес со стороны ведущих лабораторий по изучению свойств ПКМ представляет разработка методов поверхностной модификации армирующих наполнителей перед изготовлением ПКМ [10]. Величина адгезионной прочности в значительной степени определяется состоянием поверхности склеиваемых веществ [11]. Разработка методов поверхностной модификации базальтовых волокон является многообещающим подходом для увеличения адгезионной прочности соединения «волокно-матрица».

Цель работы состояла в определении влияния химического состава и состояния поверхности базальтовых волокон на их механическую прочность и адгезию к полимерному связующему.

Поставленная цель включала несколько задач:

• определение влияния модификации химического состава базальтовой шихты на условия получения базальтовых стекол и волокон, исследование их структуры и прочностных характеристик;

• определение влияния модификации поверхности базальтовых волокон на механические свойства и адгезионную прочность соединения «волокно-матрица»;

• получение полимерных композиционных материалов на основе модифицированных базальтовых волокон и определение их механических свойств.

Научная новизна.

• Определены зависимости механических свойств базальтовых волокон от содержания и соотношения в них сеткообразующих оксидов и оксидов модификаторов.

• Проведен анализ характера возникновения микро- и нанонеоднородностей на поверхности базальтовых волокон на стадии формования.

• Разработаны методы модификации поверхности волокон на нано- и микро уровне с целью «залечивания» поверхностных дефектов.

• Впервые использован метод ионного обмена для упрочнения волокон.

• Разработана методика нанесения наногибридного покрытия на поверхность базальтовых волокон.

Практическая значимость работы. Экспериментальные данные по влиянию химического состава и дополнительной поверхностной модификации базальтовых волокон являются основой для разработки рекомендаций по оптимизации условий их получения и дополнительной обработки с целью улучшения механических характеристик (прочности на разрыв и модуля упругости), а также ПКМ на основе модифицированных волокон и тканей.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Характер влияния модификации химического состава оксидами лития, натрия, магния и цинка на условия получения базальтовых волокон.

2. Выявленные закономерности «состав-структура-свойства» в базальтовых стеклах и волокнах.

3. Схемы модификации поверхности базальтовых волокон методом ионного обмена, растворами неорганических кислот, а также наногибридным покрытием.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы доложены на ХХ1-ХХШ Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2014» (Москва, 2014), «Ломоносов-2015» (Москва, 2015), «Ломоносов-2016» (Москва, 2016), 2-ом международном симпозиуме по стекловолокну (Германия, 2014), 16-ой европейской конференции по композиционным материалам «ЕССМ-16» (Испания, 2014).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 2 статьи и тезисы 5 докладов на конференциях.

Благодарности.

Автор работы выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.х.н. Лазоряку Б.И., а также к.х.н. Гутникову С.И. и Липатову Я.В. за консультации во время выполнения диссертационной работы и обсуждение результатов. Автор благодарит к.х.н. Морозова В.А. (РФА), к.х.н. Рощину И.А. (рентгенофлуоресцентный анализ), Галигузова А.А. и Трофимовича М.А. (СЭМ), к.х.н. Колягина Ю.Г. (ЯМР-спектроскопия) за помощь при подготовке и проведении анализа стекол и волокон разными методами, а также к.х.н. Кепмана А.В., Бабкина А.В., Солопченко А.В. за помощь при подготовке и исследовании полимерных композиционных материалов.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1. Армирующие стекловолокнистые наполнители для полимерных композиционных материалов

Полимерные композиционные материалы, армированные волокнами, широко используются в разных отраслях промышленности. Такие материалы применяется в качестве электроизоляционных и конструкционных материалов, а также в авиационной промышленности и ракетно-космической технике. Коррозионная стойкость и технологичность обусловили использование армированных пластиков в судостроении и автомобилестроении [12].

Известно, что основным компонентом в армированных полимерных материалах являются волокнистые армирующие наполнители (АВН). Данный тип наполнителей соединяется в единый композиционный материал при помощи матрицы или связующего. В большинстве случаев в качестве матриц используются различные полимеры: термореактивные полимеры (реактопласты), термопластические материалы (термопласты), а также высокоэластические полимеры (эластомеры: каучуки, резины). Как правило, для армирования полимерных композиционных материалов применяются волокна в виде пучков, ровницы, пряжи, а также маты. Различный порядок укладки волокон, их упаковка, направление положения в ткани влияет на физико-механические свойства получаемых полимерных материалов.

Механические свойства армирующих волокон значительно выше, чем у неармированных композиционных материалов на основе синтетических матриц. Свойства таких композитов (волокно/матрица) зависят от вклада волокон, что приводит к синергетическому эффекту в укреплении композита. Основными факторами, которые определяют роль волокон в композиционных материалах, являются: 1) механические свойства волокон, 2) физико-химическое взаимодействие между волокном и компонентом смолы (межфазовые взаимодействия), 3) объемная доля волокон внутри композиционного материала, 4) положения, ориентации и размещения волокон в композите и 5) способности переработки конечного продукта. Если вышеуказанные условия выполнены, то армирующий наполнитель улучшает исходную полимерную матрицу и делает ее гораздо прочнее и жестче.

Армирующие волокна и нити должны обладать следующими свойствами [13]:

• модуль упругости волокон при растяжении должен быть больше чем модуль упругости матрицы;

• прочность волокон должна быть больше чем прочность матрицы;

• удлинение при разрыве волокон должно быть меньше чем удлинение матрицы;

• коэффициенты Пуассона волокон и матрицы должны не сильно отличаться, чтобы при деформации композиционного материала на границе волокно-матрица не возникало напряжений, приводящих к отрыву их друг от друга;

• термические характеристики волокон (температуры плавления или разложения) должны быть выше температур переработки термопластов или отверждения реактопластов.

Наиболее подходящими и широко используемыми наполнителями для конструкционных полимерных материалов являются неорганические волокна. Основным видом неорганических армирующих волокон являются стекловолокна и стеклонити, изготовляемые из различных видов стекол. Помимо этого, для армирования современных композитов, наряду со стекловолокнами, также применяются углеродные волокна и нити с высокими механическими и термическими характеристиками. Однако низкая стоимость и доступность исходного сырья обусловливает доминирование стекловолокна среди армирующих наполнителей.

Наиболее распространены следующие типы стекол [13]:

А-стекло (извествестково-натриевое, щелочное). Волокна из А-стекла, как наиболее дешевые, используются в виде матов для звуко- и теплоизоляции.

С-стекло (натрийборосиликатное, хемостойкое). Ткани и нетканые материалы из С-стекла применяются для фильтрации кислотных и щелочных растворов, для очистки воздуха и горячих газов.

Е-стекло (алюмоборо-силикатное) обладает хорошими электроизоляционными свойствами. Стекло этой марки широко применяется при изготовлении текстильных изделий. Ткани из Е-стекла используют в производстве стеклотекстолитов.

S-стекло (магнезиальноалюмосиликатное) - высокопрочное, предназначенное для армирования высокопрочных композитов.

Кварцевое стекло, состоящее из плавленого кварца аморфной структуры. Кварцевые нити являются достаточно дорогим материалом, как вследствие трудности получения высокочистого кварца, так и более сложной технологии их получения. Они применяются в летательных аппаратах и космической технике, для жаростойкой электро- и теплоизоляции, в качестве высокочастотных диэлектриков, а также в термозащитных композиционных материалах.

Базальтовое стекло- это стекло из горной породы. Базальт является природным минералом, образующимся из застывшей лавы, с температурой плавления в интервале от 1500 до 1700°С [14]. Базальт представляет собой, в основном, восьмикомпонентную систему, состоящую из Na2O-K2O-MgO-CaO-FeO-Fe2O3-SiO2-Al2O3, с небольшим (до 1 мас. %) содержанием оксида титана. На рисунке 1 представлено среднее процентное содержание

основных компонентов базальта [15]. Химический состав может отличаться в зависимости от географического распределения. Базальт широко распространен и составляет до 33 мас. % от содержания в земной коре. Если базальт обогащен диоксидом кремния и обеднен оксидом натрия, то он классифицируется как толеитовый базальт. Если наоборот, обогащен оксидом натрия и обеднен диоксидом кремния, то он классифицируется как щелочной базальт. Кроме того, если минерал богат оксидом алюминия с концентрацией более 17 мас. %, то базальт классифицируется как промежуточная форма между толеитовым и щелочным базальтом. Базальт, богатый магнием, называется бонинитовым, он содержит чрезвычайно малые концентрации титана и других металлов [16]. Различия с точки зрения химического состава приводят к отличиям в термической и химической стабильности, а также в механических и физических свойствах базальтовых стекол и волокон [17].

Рисунок 1 - Процентное содержание компонентов в природном базальте [15].

Процесс производства базальтовых волокон аналогичен процессу получения стекловолокон, но с меньшим количеством энергии, потребляемой в процессе получения, и без каких-либо добавок, что делает данный процесс более дешевым, чем получение стеклянных или углеродных волокон. Базальтовое волокно получают плавлением исходной породы при 1450-1500°С. После этого расплав проходит через платино-родиевые фильеры, где и

формируется волокно. Данная технология позволяет получать армирующий материал в виде рубленых или непрерывных волокон, который используется для производства текстильной продукции и имеет большой потенциал для получения композиционных материалов [18].

Базальтовые волокна обладают рядом преимуществ, которые делают их хорошей альтернативой традиционным волокнам в качестве армирующего наполнителя для композиционных материалов. Высокая прочность и модуль упругости делают данный вид волокон конкурентоспособными со стеклянными волокнами на основе Е-стекла [19].

1.2. Физико-химические свойства стекла и стеклянных волокон

1.2.1. Особенности стекла как аморфного вещества

Все стекла можно описать двумя характерными чертами. Первое это то, что в стеклах отсутствует упорядоченное распределение атомов, второе - стекло характеризуется температурной областью перехода в стеклообразное состояние. Таким образом, аморфные твердые тела, полученные в результате переохлаждения расплава, в независимости от химического состава, интервала затвердевания, обладающие прочностными характеристиками, называются стеклами. Необходимо отметить, что трансформация в твердое состояние из жидкого обязательно является обратимым процессом [20]. Тамман, первый исследователь, который рассматривал стекла как сильно переохлажденные жидкости. Таммановская интерпретация стеклообразного состояния рассматривает метастабильные состояния при практически достижимых давлениях. Следовательно, стекло, как переохлаждённая жидкость, будучи термодинамически неустойчивым, занимает поле кристаллического состояния, т.е. может существовать при температурах и давлениях, характеризующих это поле [21]. Вещества из жидкого состояния могут переходить в твердое двумя способами либо кристаллизоваться, либо застывать в виде стекла. При охлаждении расплава его атомная структура постепенно меняется. Охлаждение до температуры ниже температуры плавления кристаллов приводит к тому, что вещество переходит в кристаллическое состояние с образованием протяженной структуры из периодически расположенных атомов. При этом энтальпия резко уменьшается до величины, соответствующей кристаллическому состоянию. Дальнейшее охлаждение кристаллов приводит к уменьшению энтальпии, что связано с теплоемкостью кристаллов.

//

г/н % т™

Температура-

Рисунок 2 - Влияние температуры на энтальпию стеклообразующего расплава [21].

В результате охлаждения жидкости ниже температуры плавления без кристаллизации получается переохлажденная жидкость. При снижении температуры структура жидкости перестраивается, однако резкого снижения энтальпии не наблюдается, при этом вязкость жидкости возрастает с падением температуры, и атомы не успевают перестроиться до равновесного расположения. Начинается «запаздывание» структуры по сравнению с равновесной структурой, и величины энтальпии отклоняются от равновесной линии, образуя кривую с плавно уменьшающимся углом наклона. В результате энтальпия будет определяться теплоемкостью замороженной жидкости, вязкость жидкости будет настолько значительной, что ее структура будет жестко фиксированной, и в дальнейшем уже не будет зависеть от температуры. Температурный интервал между пределами, один из которых соответствует энтальпии равновесной жидкости, а другой - энтальпии вещества в замороженном твердом состоянии, называется областью перехода в стеклообразное состояние. При этом замороженная жидкость представляет собой стекло [22].

1.2.2. Теории строения стекла.

Самая ранняя и наиболее простая теория образования стекла основывалась на наблюдениях Гольдшмидта [23]. Он считал, что стекла, химический состав которых выражается общей формулой КпОш, образуются легче в тех случаях, когда отношение ионного радиуса катиона R к радиусу иона кислорода находится в диапазоне от 0.2 до 0.4. При таких соотношениях радиусов вокруг катионов возникает окружение из четырех ионов кислорода в форме тетраэдра. Гольдшмидт считал, что только те расплавы, которые содержат

тетраэдрически координированные катионы, при охлаждении образуют стекла. Это утверждение было эмпирическим и не объясняло, почему для стеклообразования наиболее предпочтительна тетраэдрическая координация.

Идеи Гольдшмидта были развиты в работе Захариасена [24]. Захариасен отмечал, что кристаллические силикаты склонные к стеклообразованию, после плавления и охлаждения вместо рекристаллизации обладают сеткообразной структурой в отличие от структур с плотнейшей упаковкой. Эти сетки образованы из тетраэдров, связанных между собой через все четыре вершины, как и в соответствующих кристаллах (рисунок 3а). Но сетки не обладают периодичностью и симметрией, как в кристаллах (рисунок 3б). Сетки строятся во всех трех направлениях примерно одинаково, т.е. стекла изотропны. Захариасен утверждал, что способность образовывать подобные сетчатые структуры обусловливает возможность стеклообразования.

Рисунок 3 - Схематическое изображение двумерных структур а) кристаллического и б) стеклообразного оксида кремния по Захариасену [24].

Захариасен утверждал, что образование оксидного стекла возможно, если выполняются следующие условия: 1) вещество содержит большую долю катионов, которые окружены треугольниками или тетраэдрами из атомов кислорода, 2) эти полиэдры связаны между собой только через вершины, 3) некоторые атомы кислорода связаны только с двумя такими катионами и не образуют дополнительные связи с другими катионами. Таким образом, первое положение утверждает, что для образования бесконечной структуры должно быть достаточное количество катионов - сеткообразователей; второе - что сетка должна быть открытой структурой, и третье - что для образования бесконечной сетки должно быть достаточно связей между полиэдрами, образующими сетку.

Помимо этого, Захариасен классифицировал катионы в стекле следующим образом:

1) Сеткообразователи, такие как: Si, В, Р, Ge, As, Ве (с F) и т.д., с координационным числом, как правило, 3 или 4.

2) Модификаторы сетки, такие как: №, К, Са, Ва, и т.д., с координационными числами, как правило, ~ 6

3) интермедиаты могут либо упрочнять сетчатую структуру (координационное число 4) или дополнительно разрыхлять (координационные числа 6-8), но не могут сформировать стекло сами по себе.

Модель Захараисена позволяет описывать сеточные структуры независимо от того, относятся они к стеклам или нет. В нее было внесено дополнение, согласно которому стеклообразование происходит в результате искажение сетки, нарушения дальнего порядка и периодичности на больших расстояниях. Такие искажения могут достигаться за счет изменения длин связей или валентных углов и вращения структурных единиц вокруг собственных осей.

Лебедев и другие русские ученые разработали кристаллитную теорию структуры стекла [25]. Согласно данной теории, кристаллиты отличаются от микрокристаллов тем, что их структуры деформированы, т.е. нарушена пространственная решетка; и кристаллиты нельзя рассматривать как очень маленькие кристаллы. Предполагается, что стекло состоит из кристаллитов, связанных между собой аморфными участками (напоминающими границы зерен). В соответствии с кристаллитной гипотезой, свойства стекол некоторой системы связаны с ее фазовой диаграммой. Структуру стекол можно рассматривать как скопление микрокристаллических образований, например, в силикатных стеклах, состоящих из SiO2 и различных силикатов. В сложных стеклах микрокристаллы должны быть либо химическими соединениями или твердыми растворами, которые должны совпадать с фазовой диаграммой, соответствующей составу конкретного стекла.

Результаты проведенных экспериментов были описаны, опираясь на тот факт, что точки перегиба на кривых «свойство-состав» соотносятся с составами определенных кристаллических фаз. Стоит отметить, что приведенные объяснения являются весьма маловероятными, так как данные о наличии в стеклах остаточной кристалличности отсутствуют. Известны также другие теории, которые отвергают наличие кристаллитов, прогнозирующие изменение зависимости «свойство-состав» в точках, которые соответствуют составу кристаллических фаз. Но, исходя из современных представлений, применяемых в науке о стекле, формирование новых кристаллических фаз происходит за счет изменений связности сетки, приводящих к перестройке структуры стекла, при этом существование самой кристаллической структуры не приводит к изменению структуры стекла.

Еще одной немаловажной теорией строения стекла, которая получила широкое распространение ещё в тридцатые годы 20-го века, стала теория дифференцированной аморфной структуры или, по иной терминологии, агрегативная теория. Бергером было развито представление о динамической агрегации молекул как о процессе, происходящем при стеклообразовании [26]. Динамическая агрегация происходит с понижением температуры, при этом молекулярный вес агрегатов непрерывно возрастает. Ботвинкин [27] так же утверждал, что поведение жидкостей при охлаждении определяется ходом процесса соединения молекул в агрегаты, а свойства жидкостей зависят от соотношения числа агрегатов и числа свободных молекул. Степень агрегации молекул изменяется в зависимости от температуры, но по мере понижения температуры число агрегатов возрастает и в затвердевшем стекле все структурные части агрегированы. Предположение о существовании определенных стабильных молекулярных строительных единиц также было подтверждено Мюллером [28] и Гребенщиковым [29] на основе электрической проводимости и других экспериментов с щелочными боросиликатами.

1.2.3. Прочность стекла и стеклянных волокон.

Прочностью называют сопротивление твердого тела механическому разрушению. Различают теоретическую и практическую прочности стекол. Теоретическая прочность - это величина, полученная расчетным путем для идеального бездефектного гомогенного стекла. Теоретическая прочность является характеристикой материала и зависит от природы стекла и прочности химических связей в его структуре. Практическая прочность - это реально достигаемое значение прочности.

Конечная практическая прочность стекловолокна зависит от нескольких факторов, включая химический состав, условия формования, применения и свойств замасливателя, а также процесса обработки. Практическая прочность будет значительно ниже, чем показывают теоретические расчеты, так как дефекты внутри и на поверхности волокна выступают в качестве концентраторов напряжений. В промышленности оптимизация плавки стекла и методов формовки помогает свести к минимуму наличие дефектов в отформованном стекле, однако, они не могут быть полностью устранены.

Расчет теоретической прочности поверхности стекла может быть представлен как напряжение, необходимое для разделения двух атомов. Значение этого напряжения выражается следующим выражением:

т Е1/2

От —

(1)

где от - максимальное напряжение, yf - межфазная поверхностная энергия для нетронутой поверхности стекла, Е - модуль Юнга, а0 - межатомное расстояние [30]. Подставляя в данное выражение значения, характерные для силикатных стекол Е = 70 ГПа, yf = 3.5 Дж/м2 и а0 = 0.2 нм, приводит к расчетной прочности в 35 ГПа. Для сравнения, типичные значения для стали, находятся в диапазоне 400-450 МПа, что значительно ниже, чем рассчитанное значение теоретической прочности стекла. Для любого конкретного состава стекла фактическое напряжение при разрушении будет ниже расчетного теоретического значения прочности из-за дефектов, присутствующих в стекле. Приложенная нагрузка приводит к концентрации напряжений в определенных точках, где существуют дефекты либо в объеме, либо на поверхности стекла.

Инглис первым сделал предположение, а позже Гриффитс развил теорию, что не все присутствующие дефекты с одинаковой вероятностью приводят к разрушению стекла [31]. Гриффиту исходя из предположения, что рост трещины происходит тогда, когда величина напряжения у ее вершины достигает теоретической прочности, а приложенное в этот момент к образцу напряжение соответствует пределу его прочности. На рисунке 4 показана двумерная схема типичного поверхностного дефекта на изделии из стекла, где a - радиус дефекта (трещины), L0 - длина трещины до приложения нагрузки, и S - приложенное напряжение при растяжении. Гриффитс вывел уравнение для расчета напряжения, необходимого для разрушения стеклянных изделий на основе критической длины дефекта:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кузьмин, Константин Львович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Fiorea V. A review on basalt fibre and its composites / V. Fiorea, T. Scalici, G. Di Bella, A. Valenza // Composites, Part B. - 2015. - V. 74. - pp. 74-94.

2. Novitskii A. Technological aspects of the suitability of rocks from different deposits for the production of continuous basalt fiber / A. Novitskii, M. Efremov // Glass Ceram. - 2013. - V. 69. - pp. 409-412.

3. Lezzi P.J. Strength increase of silica glass fibers by surface stress relaxation: A New Mechanical Strengthening Method / P.J. Lezzi, Q.R. Xiao, M. Tomozawa, T.A. Blanchet, C.R. Kurkjian // J. Non-Cryst. Solids. - 2013. - V. 379. - pp. 95-106.

4. Leboeuf V. Potassium ionic exchange in glasses for mechanical property improvement / V. Leboeuf, J.P. Blondeau, D.D.S. Meneses, O. Véron // J. Non-Cryst. Solids. - 2013. - V. 377.

- pp. 60-65.

5. Мазурин О.В. Свойства стекол и стеклообразующих расплавов. Справочник. Т. 1-6. / О.В. Мазурин, М.В. Стрельцина, Т.П. Швайко-Швайковская - Ленинград: Наука, 1973.

- 435 c.

6. Calas G. Structure-property relationships in multicomponent oxide glasses / G. Calas, L. Cormier, L. Galoisy, P. Jollivet // C. R. Chim. - 2002. - V. 5. - № 12. - pp. 831-843.

7. Lonnroth N. Influence of chemical composition on the physical properties of basaltic glasses / N. Lonnroth, Y.Z. Yue // Glass Technol.: Eur. J. Glass Sci. Technol., Part A. - 2009. - V. 50.

- № 3. - pp. 165-173.

8. Wallenberger F.T. ZnO-modified high modulus glass fibers / F.T. Wallenberger, S.D. Brown, G.Y. Onoda // J. Non-Cryst. Solids. - 1993. - V. 152. - № 2. - pp. 279-283.

9. Greaves G.N. Local structure of silicate glasses / G.N. Greaves, A. Fontaine, P. Lagarde, D. Raoux, S.J. Gurman // Nature. - 1981. - V. 293. - pp. 611-616.

10. Varley R.J. The effect of surface treatments on the mechanical properties of basalt-reinforced epoxy composites / R.J. Varley, W. Tian, K.H. Leong, A.Y. Leong, F. Fredo, M. Quaresimin // Polym. Compos. - 2013. - V. 34. - № 3. - pp. 320-329.

11. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты / К.Е. Перепелкин - Санкт-Петербург: Научные основы и технологии, 2009. - 380 с.

12. Van der Woude J.H.A. Composite Design and Engineering / J.H.A. Van der Woude, E.L. Lawton // In Fiberglass and Glass Technology. Springer US, 2010. - pp. 125-173.

13. Перепелкин К.Е. Современные химические волокна и перспективы их применения в текстильной промышленности / К.Е. Перепелкин // Химический журнал. - 2002. - № 1.

- pp. 1-18.

14. Militky J. Influence of thermal treatment on tensile failure of basalt fibers / J. Militky, V. Kovacic, J. Rubnerova // Eng. Fract. Mech. - 2002. - V. 69. - № 9. - pp. 1025-1033.

15. Dhand V. A short review on basalt fiber reinforced polymer composites / V. Dhand, G. Mittal, K.Y. Rhee, S.J. Park, D. Hui // Composites, Part B. - 2015. - V. 73. - pp. 166-180.

16. Аблесимов Н.Е. Релаксационные эффекты в неравновесных конденсированных системах. Базальты: от извержения до волокна / Н.Е. Аблесимов, А.Н Земцов - Москва: ИТиГ ДВО РАН, 2010. - 400 c.

17. Gutnikov S.I. Effect of the reduction treatment on the basalt continuous fiber crystallization properties / S.I. Gutnikov, M.S. Manylov, Y.V. Lipatov, B. I. Lazoryak, K.V. Pokholok // J. Non-Cryst. Solids. - 2013. - V. 368. - pp. 45-50.

18. Sim J. Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures / J. Sim, C. Park // Composites, Part B. 2005. - V. 36. - № 6. - pp. 504-512.

19. Deak T. Chemical composition and mechanical properties of basalt and glass fibers: a comparison / T. Deak, T. Czigany // Text. Res. J. - 2009. - V. 79. - № 7. - pp. 645-651.

20. Кобеко П.П. Аморфные вещества / П.П. Кобеко - Москва, Ленинград: Изд-во АН СССР, 1952. - 435 c.

21. Tammann G. Kristallisieren und Schmelzen: ein Beitrag zur Lehre der Änderungen des Aggregatzustandes / G. Tammann - J.A. Barth, Leipzig, 1903. - 348 p.

22. Шелби Д. Структура, свойства и технология стекла / Д. Шелби - Москва: Мир, 2006. -288 с.

23. Goldschmidt V.M. Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente, IX. Die Mengenverhältnisse der Elemente und Atomarten / V.M. Goldschmidt // Skrifter Norske Videnskaps-Akad. Oslo. I. Mat.-naturw. - 1937. - V. 1. - № 4. - pp. 1-148.

24. Zachariasen W.H. The atomic arrangement in glass / W.H. Zachariasen // J. Am. Chem. Soc. - 1932. - V. 54. - № 10. - pp. 3841-3851.

25. Lebedev A.A. On the Polymorphism and Annealing of Glass / A.A. Lebedev // Tr. Gos. Opt. Inst. - 1921. - V. 2. - № 10. - pp. 1-20.

26. Bergler E. Contributions to the Theory of Glass Formation and the Glassy State / E. Bergler // J. Am. Chem. Soc. - 1932. - V. 15. - № 12. - pp. 647-678.

27. Botvinkin O.K. Der Aufbau des Glases // Moskau-Leningrad: Verlag der Akad. der Wiss. UdSSSR. - 1955.

28. Muller R.L. In Kitaigorodski I.I. Technologie des Glases - Berlin: VEB Verlag Technik and Munich: Oldenburg Verlag, 1957.

29. Grebenstchikov J.W. In Kitaigorodski I.I. Technologie des Glases - Berlin: VEB Verlag Technik and Munich: Oldenburg Verlag, 1957.

30. Shelby J.E. Characterization of glass microstructure by physical property measurements / J.E. Shelby // J. Non-Cryst. Solids. - 1982. - V. 49. - № 1-3. - pp. 287-298.

31. Griffith A. A. The phenomena of rupture and flow in solids / A.A. Griffith // Philosophical transactions of the royal society of London. Series A, containing papers of a mathematical or physical character. - 1921. - V. 221. - pp. 163-198.

32. Hartman D.R. High strength glass fibers / D.R. Hartman, M.E. Greenwood, D.M. Miller // Moving Forward With 50 Years of Leadership in Advanced Materials. - 1994. - V. 39. - pp. 521-533.

33. Otto W.H. Compaction effects in glass fibers / W.H. Otto // J. Am. Chem. Soc. - 1961. - V. 44. - № 2. - pp. 68-72.

34. Yue Y.Z. Determination of the fictive temperature for a hyperquenched glass / Y.Z. Yue, J.deC. Christiansen, S.L. Jensen // Chem. Phys. Lett. - 2002. - V. 357. - № 1. - pp. 20-24.

35. Wallenberger F.T. Advanced Inorganic Fibers: Processes, Structures, Properties, Applications / F.T. Wallenberger, J.B. MacChesney, R. Naslain, H.D. Ackler - Springer, 2000. - 346 p.

36. Cameron N.M. Relation between melt treatment and glass fiber strength / N.M. Cameron // J. Am. Chem. Soc. - 1966. - V. 49. - № 3. - pp. 144-148.

37. Richards C. Industry perspective of factors that affect fibre glass strength / C. Richards, H.Li // Glass Res. - 2002. - V. 11. - № 2. - pp. 18-20.

38. Proctor B. The effects of hydrofluoric acid etching on the strength of glasses / B. Proctor // Phys. Chem. Glasses. - 1962. - V. 3. - № 1. - pp. 7-27.

39. Pavelchek E.K. Fracture strength of soda-lime glass after etching / E.K. Pavelchek, R.H. Doremus // J. Mater. Sci. - 1974. - V. 9. - № 11. - pp. 1803-1808.

40. Das B. Acid corrosion analysis of fibre glass / B. Das, B.D. Tucker, J.C. Watson // J. Mater. Sci. - 1991. - V. 26. - № 24. - pp. 6606-6612.

41. Jones R.L. The kinetics of corrosion of E-glass fibres in hydrochloric acid / R.L. Jones, D. Betz // J. Mater. Sci. - 2004. - V. 39. - № 18. - pp. 5633-5637.

42. Jones R.L. Strength loss in E-glass fibres after exposure to hydrochloric, hydrobromic and hydriodic acids / R.L. Jones, H.D. Chandler // J. Mater. Sci. - 1985. - V. 20. - № 9. - pp. 3320-3324.

43. Iglesias J.G. Effect of glass fiber surface treatments on mechanical strength of epoxy based composite materials / J.G. Iglesias, J. González-Benito, A.J. Aznar, J. Bravo, J. Baselga // J. Colloid Interface Sci. - 2002. - V. 250. - № 1. - pp. 251-260.

44. Sever K. Effects of fiber surface treatments on mechanical properties of epoxy composites reinforced with glass fabric / K. Sever, M. Sarikanat, Y. Seki, V. Cecen, I.H. Tavman // J. Mater. Sci. - 2008. - V. 43. - №13. - pp. 4666-4672.

45. Витман Ф.Ф. Прочность стекла / Ф.Ф. Витман, В.А. Берштейн, В.П. Пух - Москва: Мир, 1969. - с. 7-30.

46. Ходаков Г.С. Физико-химические процессы полирования оптического стекла / Г.С. Ходаков, Н.Л. Кудрявцева - Москва: Машиностроение, 1985. - 220 с.

47. Рудой Б.Л. Новые физико-химические способы упрочнения стекла / Б.Л. Рудой, Е.В. Глиндзич - Москва, 1967. - 40 с.

48. Krohn D.A. Strengthening of glass fibers: I, cladding / D.A. Krohn, A.R. Cooper // J. Am. Ceram. Soc. - 1969. - V. 52. - №12. - pp. 661-664.

49. Gordon R. Thermal tempering of glass // in Elasticity and Strength in Glasses: Glass: Science and Technology, 2012. - pp. 145-213.

50. Nordberg M.E. Strengthening by ion exchange / M.E. Nordberg, E.L. Mochel, H.M. Garfinkel, J.S. Olcott // J. Am. Ceram. Soc. - 1964. - V. 47. - № 5. - pp. 215-219.

51. Кокотов Ю. А. Равновесие и кинетика ионного обмена / Ю. А. Кокотов, В.А. Пасечник

- Ленинград: Химия, 1970. - 336 с.

52. Buurgraaf A.J. The strengthening of glass by ion exchange. Part 2. Stress formation and stress relaxation after ion exchange in alkali alumosilicate glasses in connection with structural changes in glass / A.J. Buurgraaf // Phys. Chem. Glasses. - 1966. - V. 7. - № 5. - pp. 169172.

53. Karlsson S. The technology of chemical glass strengthening-a review / S. Karlsson, B. Jonson, C. Stalhandske // Glass Technol.: Eur. J. Glass Sci. Technol. A - 2010. - V. 51. - № 2. - pp. 41-54.

54. Bacon J.F. High modulus, high temperature glass fibers / J.F. Bacon // Appl. Polym. Symp. -1973. - V. 21. - pp. 179-200.

55. Kostikov V.I. Fibre science and technology / V.I. Kostikov - Springer Science & Business Media, 1995. - 694 p.

56. Inaba S. Young's modulus and compositional parameters of oxide glasses / S. Inaba, S. Fujino, K. Morinaga // J. Am. Ceram. Soc. - 1999. - V. 82. - № 12. - pp. 3501-3507.

57. Gardiner G. The making of glass fiber / G. Gardiner // Composites Technology. - 2009. V. 15.

- № 2. - pp. 30-35.

58. Lewis A. High-strength, high-modulus glass fibers / A. Lewis, D.L. Robbins // J. Polym. Sci. Pol. Sym. - 1967. - V. 19. - № 1. - pp. 117-150.

59. Osafune H. Oxynitride glass, method of preparing the same and glass fiber / H. Osafune, S. Kitamura, T. Kawasaki // пат. 5576253 США. - 1996.

60. Андреевская Г.Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики / Г.Д. Андреевская

- Москва: Наука, 1966. - 370 с.

61. Николаев А.Ф. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе / А.Ф. Николаев - Ленинград: Химия, 1964. - 779 с.

62. Lopresto V. Mechanical characterisation of basalt fibre reinforced plastic / V. Lopresto, C. Leone, I. De Iorio // Compos. Part B-Eng. - 2011. - V. 42. - № 4. - pp. 717-723.

63. Liu Q. Investigation of basalt fiber composite mechanical properties for applications in transportation / Q. Liu, M.T. Shaw, R.S. Parnas, A.M. McDonnell // Polym. Compos. - 2006.

- V. 27. - № 1. - pp. 41-48.

64. Wei B. Degradation of basalt fibre and glass fibre/epoxy resin composites in seawater / B. Wei, H. Cao, S. Song // Corros. Sci. - 2011. - V. 53. - № 1. - pp. 426-431.

65. Mingchao W. Chemical durability and mechanical properties of alkali-proof basalt fiber and its reinforced epoxy composites / W. Mingchao, Z. Zuoguang, L. Yubin, M. Li, Z. Sun// J. Reinf. Plast. Compos. - 2008. - V. 27. - № 4. - pp. 393-407.

66. Chen W. Basalt fiber-epoxy laminates with functionalized multi-walled carbon nanotubes / W. Chen, H. Shen, M L. Auad, C. Huang, S. Nutt // Compos. Part A-Appl. S. - 2009. - V. 40.

- № 8. - pp. 1082-1089.

67. Kim M.T. Effects of silane-modified carbon nanotubes on flexural and fracture behaviors of carbon nanotube-modified epoxy/basalt composites / M.T. Kim, K.Y. Rhee, S.J. Park, D. Hui // Compos. Part B-Eng. - 2012. - V. 43. - № 5. - pp. 2298-2302.

68. Czigany T. Fracture and failure behavior of basalt fiber mat-reinforced vinylester/epoxy hybrid resins as a function of resin composition and fiber surface treatment / T. Czigany, K. Poloskei, J. Karger-Kocsis // J. Mater. Sci. - 2005. - V. 40. - № 21. - pp. 5609-5618.

69. Colombo C. Static and fatigue characterisation of new basalt fibre reinforced composites / C. Colombo, L. Vergani, M. Burman// Compos. Struct. - 2012. - V. 94. - № 3. - pp. 1165-1174.

70. Carmisciano S. Basalt woven fiber reinforced vinylester composites: Flexural and electrical properties / S. Carmisciano, I.M. De Rosa, F. Sarasini, A. Tamburrano, M. Valente// Mater. Des. - 2011. - V. 32. - № 1. - pp. 337-342.

71. De Rosa I.M. Post-impact mechanical characterisation of glass and basalt woven fabric laminates / I.M. De Rosa, F. Marra, G. Pulci, C. Santulli, F. Sarasini, J. Tirillo, M. Valente // Appl. Compos. Mater. - 2012. - V. 19. - № 3-4. - pp. 475-490.

72. Yusriah L. The properties of vinyl ester composites reinforced with different types of woven fabrics and hollow phenolic microspheres / L. Yusriah, M. Mariatti, A.A. Bakar // J. Reinf. Plast. Compos. - 2010. - V. 29. - № 20. - pp. 3066-3073.

73. De Vergara U.L. Impact behaviour of basalt fibre reinforced furan composites cured under microwave and thermal conditions / U.L. de Vergara, M. Sarrionandia, K. Gondra, J. Aurrekoetxea // Compos. Part B-Eng. - 2014. - V. 66. - pp. 156-161.

74. Макаров В.Г. Промышленные термопласты / В.Г. Макаров, В.Б. Коптенармусов -Москва: Химия, 2003. - 208 с.

75. Белозеров Б.П. Свойства, технология переработки и применение пластических масс и композиционных материалов / Б.П. Белозеров, В.В. Гузеев, К.Е. Перепелкин - Томск: Изд-во НТЛ, 2004. - 221 с.

76. Botev M. Mechanical properties and viscoelastic behavior of basalt fiber-reinforced polypropylene / M. Botev, H. Betchev, D. Bikiaris, C. Panayiotou // J. Appl. Polym. Sci. -1999. - V. 74. - № 3. - pp. 523-531.

77. Szabo J.S. Static fracture and failure behavior of aligned discontinuous mineral fiber reinforced polypropylene composites / J.S. Szabo, T. Czigany // Polym. Test. - 2003. - V. 22.

- № 6. - pp. 711-719.

78. Matko S. Use of reactive surfactants in basalt fiber reinforced polypropylene composites / S. Matko, P. Anna, G. Marosi, A. Szep, S. Keszei, T. Czigany, K. Poloskei // Macromol. Symp.

- 2003. - V. 202. - № 1. - pp. 255-268.

79. Eslami-Farsani R. Influence of thermal conditions on the tensile properties of basalt fiber reinforced polypropylene-clay nanocomposites / R. Eslami-Farsani, S.M.R. Khalili, Z. Hedayatnasab, N. Soleimani // Mater. Des. - 2014. - V. 53. - pp. 540-549.

80. Bashtannik P.I. The effect of adhesion interaction on the mechanical properties of thermoplastic basalt plastics / P.I. Bashtannik, A.I. Kabak, Y.Y. Yakovchuk // Mech. Compos. Mater. - 2003. - V. 39. - № 1. - pp. 85-88.

81. Akinci A. Mechanical and morphological properties of basalt filled polymer matrix composites / A. Akinci // Arch. Comput. Mater. Sci. Surf. Eng. - 2009. - V. 35. - № 1. - pp. 29-32.

82. Akinci A. Slurry erosion behaviors of basalt filled low density polyethylene composites / A. Akinci, E. Ercenk, S. Yilmaz, U. Sen // Mater. Des. - 2011. - V. 32. - № 5. - pp. 3106-3111.

83. Wang J. Combined effects of fiber/matrix interface and water absorption on the tribological behaviors of water-lubricated polytetrafluoroethylene-based composites reinforced with carbon and basalt fibers / J. Wang, B. Chen, N. Liu, G. Han, F. Yan // Compos. Part A-Appl. S. - 2014. - V. 59. - pp. 85-92.

84. Zhang X. Friction and wear properties of polyimide matrix composites reinforced with short basalt fibers / X. Zhang, X. Pei, Q. Wang // J. Appl. Polym. Sci. - 2009. - V. 111. - № 6. -pp.2980-2985.

85. Zhang X. Friction and wear properties of basalt fiber reinforced/solid lubricants filled polyimide composites under different sliding conditions / X. Zhang, X. Pei, Q. Wang // J. Appl. Polym. Sci. - 2009. - V. 114. - № 3. - pp. 1746-1752.

86. Deâk T. Manufacturing and testing of long basalt fiber reinforced thermoplastic matrix composites / T. Deâk, T. Czigâny, M. Marsâlkovâ, J. Militky // Polym. Eng. Sci. - 2010. - V. 50. - № 12. - pp. 2448-2456.

87. Meszaros L. Effect of nanotube content on mechanical properties of basalt fibre reinforced polyamide 6 / L. Meszaros, I.M. Gali, T. Czigany, T. Czvikovszky // Plast., Rubber Compos.

- 2011. - V. 40. - № 6-7. - pp. 289-293.

88. Mészâros L. Preparation and mechanical properties of injection moulded polyamide 6 matrix hybrid nanocomposite / L. Mészâros, T. Deâk, G. Balogh, T. Czvikovszky, T. Czigâny // Compos. Sci. Technol. - 2013. - V. 75. - pp. 22-27.

89. Hoto R. Optimization of mechanical properties of basalt woven/APA-6 composite parts by means of velocity control / R. Hoto, J. Andrés, B. Cabillic, L. Gascon, J.A. Garcia // Proceedings of the 18ICCM, Korea. - 2011.

90. Song J. Basalt fibre-reinforced PA1012 composites: Morphology, mechanical properties, crystallization behaviours, structure and water contact angle / J. Song, J. Liu, Y. Zhang, L. Chen, Y. Zhong, W. Yang // J. Compos. Mater. - 2014. - V. 49. - № 4. - pp. 415-424.

91. Song J. PVDF/PMMA/Basalt fiber composites: Morphology, melting and crystallization, structure, mechanical properties, and heat resistance / J. Song, J. Liu, H. Zhang, W. Yang, L. Chen, Y. Zhong, C. Ma // J. Appl. Polym. Sci. - 2014. - V. 131. - № 13.

92. Ishida H. Controlled interphases in glass fiber and particulate reinforced polymers: structure of silane coupling agents in solutions and on substrates / H. Ishida // The interfacial interactions in polymeric composites. - 1993. - pp. 169-199.

93. Dusek K. Advances in polymer science / K. Dusek - Springer-Verlag, 1993. - V. 110. - 272 p.

94. Sabu T. Polymer Composites, Macro-and Microcomposites / T. Sabu, J. Kuruvilla, S.K. Malhotra, K. Goda, M.K. Sreekala - Wiley-VCH, 2012. - 814 p.

95. Kim M.T. Study on an oxygen plasma treatment of a basalt fiber and its effect on the interlaminar fracture property of basalt/epoxy woven composites / M.T. Kim, M.H. Kim, K.Y. Rhee, S.J. Park // Compos. Part B-Eng. - 2011. - V. 42. - № 3. - pp. 499-504.

96. Godara A. Interfacial shear strength of a glass fiber/epoxy bonding in composites modified with carbon nanotubes / A. Godara, L. Gorbatikh, G. Kalinka, A. Warrier, O. Rochez, L. Mezzo, F. Luizi, A.W. van Vuure, S.V. Lomov, I. Verpoest // Compos. Sci. Technol. - 2010.

- V. 70. - № 9. - pp. 1346-1352.

97. Qian H. Hierarchical composites reinforced with carbon nanotube grafted fibers: the potential assessed at the single fiber level / H. Qian, A. Bismarck, E.S. Greenhalgh, G. Kalinka, M.S. Shaffer // Chem. Mater. - 2008. - V. 20. - № 5. - pp. 1862-1869.

98. Zhang F.H. Interfacial shearing strength and reinforcing mechanisms of an epoxy composite reinforced using a carbon nanotube/carbon fiber hybrid / F.H. Zhang, R.G. Wang, X.D. He, C. Wang, L.N. Ren // J. Mater. Sci. - 2009. - V. 44. - № 13. - pp. 3574-3577.

99. Zhang Q. Hierarchical composites of carbon nanotubes on carbon fiber: influence of growth condition on fiber tensile properties / Q. Zhang, J. Liu, R. Sager, L. Dai, J. Baur // Compos. Sci. Technol. - 2009. - V. 69. - № 5. - pp. 594-601.

100.Thomason J.L. Sizing up the interphase: an insider's guide to the science of sizing / J.L. Thomason, L.J. Adzima // Compos. Part A-Appl. S. - 2001. - V. 32. - № 3-4. - pp. 313-321.

101.Gorowara R.L. Molecular characterization of glass fiber surface coatings for thermosetting polymer matrix/glass fiber composites / R.L. Gorowara, W.E. Kosik, S.H. McKnight, R.L. McCullough // Compos. Part A-Appl. S. - 2001. - V. 32. - № 3-4. - pp. 323-329.

102.Yang Y. Effects of emulsion sizing with nano-SiO2 on interfacial properties of carbon fibers/epoxy composites / Y. Yang, C. Lu, X. Su, X. Wang // J. Mater. Sci. - 2007. - V. 42. -№ 15. - pp. 6347-6352.

103.Zhang X. Interfacial Microstructure and Properties of Carbon Fiber Composites Modified with Graphene Oxide / X. Zhang, X. Fan, C. Yan, H. Li, Y. Zhu, X. Li, L. Yu // Appl. Mater. Interfaces. - 2012. - V. 4. - № 3. - pp. 1543-1552.

104.Jia X. Multiscale reinforcement and interfacial strengthening on epoxy-based composites by silica nanoparticle-multiwalled carbon nanotube complex / X. Jia, G. Li, B. Liu, Y. Luo, G. Yang, X. Yang // Compos. Part A-Appl. S. - 2013. - V. 48. - pp. 101-109.

105.Wei B. Surface modification and characterization of basalt fibers with hybrid sizings / B. Wei, H. Cao, S. Song // Compos. Part A-Appl. S. - 2011. - V. 42. - № 1. - pp. 22-29.

106.Plueddemann E.P. New silane coupling agents for reinforced plastics / E.P. Plueddemann, H.A. Clark, L.E. Nelson, K.R. Hoffman // Mod. Plast. - 1962. - V. 39. - pp. 135-193.

107.Mallick P.K. Fiber-reinforced composites: materials, manufacturing, and design / P.K. Mallick - CRC press, 2007. - 617 p.

108.Yosomiya R. Adhesion and Bonding in Composites / R. Yosomiya, K. Morimoto, A. Nakajima, Y. Ikada, T. Suzuki - Marcel Dekker Inc.: New York, 1990. - 357 p.

109.Zulkifli R. Surface fracture analysis of glass fibre reinforced epoxy composites treated with different type of coupling agent / R. Zulkifli // Eur. J. Sci. Res. - 2009. - V. 29. - № 1. - pp. 55-65.

110.Зимин Д.Е. Изменение прочности силикатных волокон в процессе изготовления композиционных материалов / Д.Е. Зимин, О.С. Татаринцева // Ползунковский вестник. - 2008. - № 3. - pp. 217-219.

111.Maldas D. Influence of coupling agents and treatments on the mechanical properties of cellulose fiber-polystyrene composites / D. Maldas, B.V. Kokta, C. Daneault // J. Appl. Polym. Sci. - 1989. - V. 37. - № 3. - pp. 751-775.

112.Miller J.D. Controlling and monitoring interfacial reactions in composites of azidosilane modified glass filled polyethylene / J.D. Miller, H. Ishida, F.H. Maurer // Polym. Compos. -1988. - V. 9. - № 1. - pp. 12-19.

113.Xie Y. Silane coupling agents used for natural fiber/polymer composites: A review / Y. Xie, C A. Hill, Z. Xiao, H. Militz, C. Mai // Compos. Part A-Appl. S. - 2010. - V. 41. - № 7. -pp. 806-819.

114.Deak T. Enhancement of interfacial properties of basalt fiber reinforced nylon 6 matrix composites with silane coupling agents / T. Deak, T. Czigany, P. Tamas, C. Nemeth // Express Polym. Lett. - 2010. - V. 4. - № 10. - pp. 590-598.

115.Sever K. Concentration effect of y-glycidoxypropyltrimethoxysilane on the mechanical properties of glass fiber-epoxy composites / K. Sever, M. Sarikanat, Y. Seki, I.H. Tavman // Polym. Compos. - 2009. - V. 30. - № 9. - pp. 1251-1257.

116.Rijsdijk H.A. Continuous-glass-fibre-reinforced polypropylene composites: I. Influence of maleic-anhydride-modified polypropylene on mechanical properties / H.A. Rijsdijk, M. Contant, A.A.J.M. Peijs // Compos. Sci. Technol. - 1993. - V. 48. - № 1-4. - pp. 161-172.

117.Mäder E. Influence of an optimized interphase on the properties of polypropylene/glass fibre composites / E. Mäder, H.J. Jacobasch, K. Grundke, T. Gietzelt // Compos. Part A-Appl. S. -1996. - V. 27. - № 9. - pp. 907-912.

118.DiBenedetto A.T. Measurement of the thermomechanical stability of interphases by the embedded single fiber test / A.T. DiBenedetto // Compos. Sci. Technol. - 1991. - V. 42. - № 1-3. - pp. 103-123.

119.Lee S.H. Evaluation of poly (propylene-co-1-hexen-6-ol) as an interfacial agent in polypropylene/glass laminates / S.H. Lee, C.L. Li, T.C. Chung // Polymer. - 1994. - V. 35. -№ 14. - pp.2980-2984.

120.Ruoff R.S. Mechanical and thermal properties of carbon nanotubes / R.S. Ruoff, D.C. Lorents // Carbon. - 1995. - V. 33. - № 7. - pp. 925-930.

121.Wichmann M.H. Glass-fibre-reinforced composites with enhanced mechanical and electrical properties-benefits and limitations of a nanoparticle modified matrix / M.H. Wichmann, J. Sumfleth, F.H. Gojny, M. Quaresimin, B. Fiedler, K. Schulte // Eng. Fract. Mech. - 2006. -V. 73. - № 16. - pp. 2346-2359.

122.Romhany G. Interlaminar crack propagation in MWCNT/fiber reinforced hybrid composites / G. Romhany, G. Szebenyi // Express Polym. Lett. - 2009. - V. 3. - № 3. - pp. 145-151.

123.Yokozeki T. Matrix cracking behaviors in carbon fiber/epoxy laminates filled with cup-stacked carbon nanotubes (CSCNTs) / T. Yokozeki, Y. Iwahori, S. Ishiwata // Compos. Part A-Appl. S. - 2007. - V. 38. - № 3. - pp. 917-924.

124.Ci L. The reinforcement role of carbon nanotubes in epoxy composites with different matrix stiffness / L. Ci, J. Bai // Compos. Sci. Technol. - 2006. - V. 66. - № 3-4. - pp. 599-603.

125.Gojny F.H. Influence of nano-modification on the mechanical and electrical properties of conventional fibre-reinforced composites / F.H. Gojny, M.H. Wichmann, B. Fiedler, W. Bauhofer, K. Schulte// Compos. Part A-Appl. S. - 2005. - V. 36. - № 11. - pp. 1525-1535.

126.Shen Z. The effects of carbon nanotubes on mechanical and thermal properties of woven glass fibre reinforced polyamide-6 nanocomposites / Z. Shen, S. Bateman, D.Y. Wu, P. McMahon, M. Dell'Olio, J. Gotama // Compos. Sci. Technol. - 2009. - V. 69. - № 2. - pp. 239-244.

127.Zhu J. Processing a glass fiber reinforced vinyl ester composite with nanotube enhancement of interlaminar shear strength / J. Zhu, A. Imam, R. Crane, K. Lozano, V.N. Khabashesku, E.V. Barrera // Compos. Sci. Technol. - 2007. - V. 67. - № 7-8. - pp. 1509-1517.

128.Ma P.C. Effects of silane functionalization on the properties of carbon nanotube/epoxy nanocomposites / P.C. Ma, J.K. Kim, B.Z. Tang // Compos. Sci. Technol. - 2007. - V. 67. -№ 14. - pp. 2965-2972.

129.Weibull W. A statistical theory of the strength of materials / W. Weibull - Stockholm: Generalstabens litografiska anstalts forlag, 1939. - 45 p.

130.Kuzmin K.L. Effects of Ion Exchange on the Mechanical Properties of Basaltic Glass Fibers / K.L. Kuzmin, E.S. Zhukovskaya, S.I. Gutnikov, Y.V. Pavlov, B.I. Lazoryak // Int. J. Appl. Glass Sci. - 2016. - V. 7. - № 1. - pp. 118-127.

131.Lubas M. Structure of multicomponent SiO2-Al2O3-Fe2O3-CaO-MgO glasses for the preparation of fibrous insulating materials / M. Lubas, M. Sitarz, Z. Fojud, S. Jurga // J. Mol. Struct. - 2005. - V. 744. - pp. 615-619.

132.Huang C. Structure and properties of calcium aluminosilicate glasses / C. Huang, E.C. Behrman // J. Non-Cryst. Solids. - 1991. - V. 128. - № 3. - pp. 310-321.

133.Hwa L.G. Infrared and Raman spectra of calcium alumino-silicate glasses / L.G. Hwa, S.L. Hwang, L.C. Liu // J. Non-Cryst. Solids. - 1998. - V. 238. - № 3. - pp. 193-197.

134.Hou Z.X. Crystallization and microstructural characterization of B2O3-Al2O3-SiO2 glass/ Z.X. Hou, S.H. Wang, Z.L. Xue, H.R. Lu, C L. Niu, H. Wang, B. Sun, C. Su // J. Non-Cryst. Solids. - 2010. - V. 356. - № 4-5. - pp. 201-207.

135.Taylor W.R. Application of infrared spectroscopy to studies of silicate glass structure: Examples from the melilite glasses and the systems Na2O-SiO2 and Na2O-Al2O3-SiO2 / W.R. Taylor // Proc. Indian Acad. Sci. (Earth Planet. Sci.). - 1990. - V. 99. - № 1. - pp. 99-117.

136.Sitarz M. Rings in the structure of silicate glasses / M. Sitarz, W. Mozgawa, M. Handke // J. Mol. Struct. - 1999. - V. 511. - pp. 281-285.

137.Kuzmin K.L. Effect of silane/nano-silica on the mechanical properties of basalt fiber reinforced epoxy composites / K.L. Kuzmin, I.A. Timoshkin, S.I. Gutnikov, E.S. Zhukovskaya, Ya.V. Lipatov, B.I. Lazoryak // Compos. Interfaces. - 2017. - V. 24. - № 1. -pp. 13-34.

138.González-Benito J. Microstructural and wettability study of surface pretreated glass fibres / J. González-Benito, J. Baselga, A.J. Aznar // J. Mater. Process. Technol. - 1999. - V. 92. - pp. 129-134.

139.Vrancken K.C. Influence of water in the reaction of y-aminopropyltriethoxysilane with silica gel. A Fourier-transform infrared and cross-polarisation magic-angle-spinning nuclear magnetic resonance study / K.C. Vrancken, P. Van Der Voort, I. Gillis-D'Hamers, E.F. Vansant, P. Grobet // J. Chem. Soc., Trans. - 1992. - V. 88. - № 21. - pp. 3197-3200.

140.Chiang C.H. The structure of y-aminopropyltriethoxysilane on glass surfaces / C.H. Chiang, H. Ishida, J.L. Koenig // J. Colloid Interface Sci. - 1980. - V. 74. - № 2. - pp. 396-404.

141.Comyn J. Examination of the interaction of 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane with aluminium oxide by inelastic electron tunnelling spectroscopy / J. Comyn, D.P. Oxley, R.G. Pritchard, C.R. Werrett, A.J. Kinloch // Int. J. Adhes. Adhes. - 1989. - V. 9. - № 4. - pp. 201-204.

142.http://www.inumit.ru/

143.Yi J. IR studies of alkali silicate glasses / J. Yi // J. Non-Cryst. Solids. - 1982. - V. 52. - № 1. - pp. 211-215.

144.Handke M. Vibrational spectroscopy of the amorphous silicates / M. Handke, W. Mozgawa W. // Vib. Spectrosc. - 1993. - V. 5. - № 1. - pp. 75-84.

145.Greaves G.N. EXAFS and the structure of glass / G.N. Greaves // J. Non-Cryst. Solids. -1985. - V. 71. - № 1-3. - pp. 203-217.

146.Stoch L. Infrared spectroscopy in the investigation of oxide glasses structure / L. Stoch, M.

Sroda // J. Mol. Struct. - 1999. - V. 511. - pp. 77-84. 147.Bykov V.N. Microinhomogeneity of high-alkali aluminosilicate glasses studied by nuclear magnetic resonance spectroscopy / V.N. Bykov, V.E. Eremyashev, V.N. Anfilogov // Inorg. Mater. - 2010. - V. 46. - № 11. - pp. 1265-1268. 148.Stebbins J.F. Identification of multiple structural species in silicate glasses by 29Si NMR / J.F.

Stebbins // Nature. - 1987. - V. 330. - № 6147. - pp. 465-467. 149.Pukh V.P. Atomic structure and strength of inorganic glasses / V.P. Pukh, L.G. Baikova, M.F. Kireenko, L.V. Tikhonova, T P. Kazannikova, A.B. Sinani // Phys. Solid State. - 2005. - V. 47. - № 5. - pp. 876-881.

150.Lucchesi S. Cation distribution in natural Zn-aluminate spinels / S. Lucchesi, A. Delia Giusta, U. Russo // Mineral. Mag. - 1998. - V. 62. - № 1. - pp. 41-54.

151.Waerenborgh J.C. Powder XRD structure refinements and 57Fe Mössbauer effect study of synthetic Zn1-xFexAl2O4 (0< x^ 1) spinels annealed at different temperatures / J.C. Waerenborgh, M.O. Figueiredo, J.M.P. Cabral, L.C.J. Pereira // Phys. Chem. Miner. - 1994. -V. 21. - № 7. - pp. 460-468.

152.Hudon P. The nature of phase separation in binary oxide melts and glasses. I. Silicate systems / P. Hudon, D R. Baker // J. Non-Cryst. Solids. - 2002. - V. 303. - № 3. - pp. 299-345.

153.Petrescu S. Structural and physico-chemical characterization of some soda lime zinc alumino-silicate glasses / S. Petrescu, M. Constantinescu, E.M. Anghel, I. Atkinson, M. Olteanu, M. Zaharescu // J. Non-Cryst. Solids. - 2012. - V. 358. - № 23. - pp. 3280-3288.

154.Wallenberger F.T. The effects of lithia and alumina on the viscosity and strength of commercial fibreglass and other glass compositions / F.T. Wallenberger // Glass Technol.: Eur. J. Glass Sci. Technol., Part A. - 2011. - V. 52. - № 4. - pp. 117-126.

155.Bartenev G.M. The structure and strength of glass fibers of different chemical composition / G.M. Bartenev // Mater. Sci. Eng. - 1969. - V. 4. - № 1. - pp. 22-28.

156.Korwin-Edson M.L. Strength of high performance glass reinforcement fiber / M.L. Korwin-Edson, D A. Hofmann, P.B. McGinnis // Int. J. Appl. Glass Sci. - 2012. - V. 3. - № 2. - pp. 107-121.

157.Mallinder F.P. Elastic constants of fused silica as a function of large tensile strain / F.P. Mallinder, B.A. Proctor // Phys. Chem. Glasses. - 1964. - V. 5. - № 4. - pp. 91-103.

158.Lacy E.D. Aluminum in glasses and melts / E.D. Lacy // Phys. Chem. Glasses. - 1963. - V. 4.

- № 6. - pp. 234-238.

159.Feih S. Strength degradation of glass fibers at high temperatures / S. Feih, K. Manatpon, Z. Mathys, A G. Gibson, A.P. Mouritz // J. Mater. Sci. - 2009. - V. 44. - № 2. - pp. 392-400.

160.Gy R. Ion exchange for glass strengthening / R. Gy // Mater. Sci. Eng., B. - 2008. - V. - 149.

- № 2. - pp. 159-165.

161.Ya M. Enthalpy and anisotropy relaxation of glass fibers / M. Ya, J. Deubener, Y. Yue // J. Am. Ceram. Soc. - 2008. - V. 91. - № 3. - pp. 745-752.

162.Deubener J. Decoupling between birefringence decay, enthalpy relaxation and viscous flow in calcium boroalumosilicate glasses / J. Deubener, Y. Yue, H. Bornhöft, M. Ya // Chem. Geol. -2008. - V. 256. - № 3-4. - pp. 299-305.

163.Bartenev G.M. High-temperature relaxation mechanisms in inorganic glasses / G.M. Bartenev, N.N. Scheglova // J. Non-Cryst. Solids. - 1980. - V. 37. - № 2. - pp. 285-298.

164.Tanoglu M. Investigation of properties of fiber/matrix interphase formed due to the glass fiber sizings / M. Tanoglu, S. Ziaee, S.H. McKnight, G.R. Palmese, Jr.J.W. Gillespie // J. Mater. Sci. - 2001. - V. 36. - № 12. - pp. 3041-3053.

165.Trefler M. Motion of ammonium ions in non-cubic crystal sites / M. Trefler, G.R. Wilkinson // Discuss. Faraday Soc. - 1969. -V. 48. - pp. 108-115.

166.Dumas P. Fluorine doped vitreous silica analysis of fiber optic preforms by vibrationnal spectroscopy / P. Dumas, J. Corset, W. Carvalho, Y. Levy, Y. Neuman // J. Non-Cryst. Solids.

- 1982. - V. 47. - № 2. - pp. 239-241.

167.Ezz-Eldin F.M. Effect of dilute HF solutions on chemical, optical, and mechanical properties of soda-lime-silica glass / F.M. Ezz-Eldin, T.D. Abd-Elaziz, N.A. Elalaily // J. Mater. Sci. -2010. - V. 45. - № 21. - pp. 5937-5949.

168.Knotter D.M. Etching mechanism of vitreous silicon dioxide in HF-based solutions / D.M. Knotter // J. Am. Chem. Soc. - 2000. - V. 122. - № 18. - pp. 4345-4351.

169.Wei B. Environmental resistance and mechanical performance of basalt and glass fibers / B. Wei, H. Cao, S. Song // Mater. Sci. Eng., A. - 2010. - V. 527. - № 18-19. - pp. 4708-4715.

170.Bartenev G.M. Constitution and strength of glass fibers / G.M. Bartenev // Int. J. Fract. Mech.

- 1969. - V. 5. - № 3. - pp. 179-186.

171.Pluedemann E.P. Silane coupling agents / E.P. Pluedemann - New York: Plenum Press, 1982.

- 235 p.

172.Sun Y. Study on mono-dispersed nano-size silica by surface modification for underfill applications / Y. Sun, Z. Zhang, C P. Wong // J. Colloid Interface Sci. - 2005. - V. 292. - № 2. - pp. 436-444.

173.Tsai J.L. Investigating mechanical behaviors of silica nanoparticle reinforced composites/ J.L. Tsai, H. Hsiao, Y.L. Cheng // J. Compos. Mater. - 2010. - V. 44. - № 4. - pp. 505-524.

174.Zinck P. Mechanical characterisation of glass fibres as an indirect analysis of the effect of surface treatment / P. Zinck, M.F. Pays, R. Rezakhanlou, J.F. Gerard // J. Mater. Sci. - 1999. -V. 34. - № 9. - pp. 2121-2133.

175.Yang L. Effect of silane coupling agent on mechanical performance of glass fibre / L. Yang, J.L. Thomason // J. Mater. Sci. - 2013. - V. 48. - №5. - pp. 1947-1954.

176.Ishida H. The structure of an aminosilane coupling agent in aqueous solutions and partially cured solids / H. Ishida, S. Naviroj, S.K. Tripathy, J.J. Fitzgerald, J.L. Koenig // J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. - 1982. - V. 20. - № 4. - pp. 701-718. 177. Siddiqui N.A. Tensile strength of glass fibres with carbon nanotube-epoxy nanocomposite coating / N.A. Siddiqui, M.L. Sham, B.Z. Tang, A. Munir, J.K. Kim // Compos. Part A-Appl. S. - 2009. - V. 40. - № 10. - pp. 1606-1614.